Estudo numérico do escoamento sanguíneo como um fluido não-newtoniano nas artérias renais

Abstract

As doenças cardiovasculares são um problema de saúde com elevada incidência na população mundial. Desta forma, a caracterização do fluxo sanguíneo é uma importante estratégia para estabelecer uma relação entre o comportamento hemodinâmico e a ocorrência de doenças cardiovasculares. As complexas propriedades do fluxo sanguíneo, tornam-se ainda mais evidentes quando associadas a doenças cardiovasculares. A aterosclerose é a doença cardiovascular mais comum nas artérias, esta caracteriza-se pela deposição de placas nas paredes internas das artérias, levando à redução da área de secção transversal, denominada por estenose. Esta redução, pode produzir um impacto significativo no fluxo sanguíneo. O objetivo do presente trabalho, é o estudo numérico das propriedades hemodinâmicas da aorta abdominal ao nível da bifurcação renal, através da implementação de diferentes condições de escoamento. Esta região é um local propicio ao desenvolvimento de aterosclerose, levando a uma diminuição da corrente sanguínea, e consequentemente a problemas, como a hipertensão. As simulações foram realizadas utilizando, ANSYS FLUENT®, um software que emprega o método dos volumes finitos. Esta ferramenta permite avaliar a distribuição dos perfis de velocidade e tensões de corte na parede durante o ciclo cardíaco para os diferentes casos estudados. Neste estudo, foram analisadas as diferenças existentes na hemodinâmica quando se considera o sangue como um fluido newtoniano, mas com um escoamento laminar e com um escoamento turbulento, utilizando-se os modelos: k-ɛ, o k-ω SST e o Reynolds Stress. Posteriormente, examinaram-se as principais diferenças existentes na hemodinâmica quando se considera o sangue como um fluido newtoniano e como um fluido não-newtoniano, utilizando-se o modelo de Carreau. Os resultados obtidos permitiram identificar a influência dos diferentes modelos de turbulência no escoamento sanguíneo, indicando que o modelo k-ω STT seria o mais adequado. Para o modelo newtoniano e não-newtoniano, as diferenças são apenas mais evidentes para velocidades mais baixas, no entanto o modelo não-newtoniano deve ser utilizado para estudos do escoamento sanguíneo.

The cardiovascular diseases are a main health problem, with high incidence in the world population. Therefore, blood flow characterization is an important strategy to establish a relationship between the hemodynamic behavior and the appearing of cardiovascular pathologies. The complex properties of the blood flow, become even more evident when associated with vascular diseases. Atherosclerosis is the most common cardiovascular disease in arteries, leading to the reduction of the cross-sectional area, called stenosis. This reduction, is capable to induce a huge impact on the normal blood flow. The objective of the present work, is the study of hemodynamic properties on the abdominal aorta at the renal bifurcation region, through the implementation of different flow conditions. The renal arterial region is of high interest, once the development of atherosclerosis is recurrent, and may lead to renal problems, namely renal failure or to hypertension. The simulations were made using, ANSYS FLUENT ®, a software that uses the method of finite volumes. This tool allows to evaluate the distribution of the velocity and wall shear stress profiles, during a cardiac cycle for the diverse cases under study. In this investigation, were analyzed the existing differences on the hemodynamic, considering the blood as a Newtonian fluid, with a laminar flow and also with a turbulent flow, using the k-ɛ model, k-ω SST model and the Reynolds Stress model. Posteriorly, were examined the variances on the hemodynamic when considering now the blood flow as a Newtonian fluid and as a non-Newtonian fluid, using the Carreau model. The obtained results allowed to identify the influence of the different turbulence models on the blood flow, denoting that the k-ω SST model seems to be the more indicated. Between the Newtonian and the non-Newtonian flow models, the differences were more evident for lower velocities. On the other hand, the non-Newtonian model must be used for the study of the blood flow.